（高清版）GBT 43602-2023 物理氣相沉積多層硬質(zhì)涂層的成分、結(jié)構(gòu)及性能評價

物理氣相沉積多層硬質(zhì)涂層的成分、結(jié)構(gòu)及性能評價I 2規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 14涂層樣品成分、結(jié)構(gòu)和性能評價 15成分、結(jié)構(gòu)和性能的檢測 25.1化學成分檢測 25.2層狀結(jié)構(gòu)檢測 25.3表面缺陷檢測 35.4厚度檢測 45.5性能檢測 4附錄A(資料性)透射電子顯微鏡樣品制備和操作 6附錄B(資料性)表面缺陷率計算示例 8Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。本文件等同采用ISO21874:2019《物理氣相沉積多層硬質(zhì)涂層成分、結(jié)構(gòu)及性能評價》。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔識別專利的責任。本文件做了下列編輯性改動：——標準名稱改為《物理氣相沉積多層硬質(zhì)涂層的成分、結(jié)構(gòu)及性能評價》。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國金屬與非金屬覆蓋層標準化技術(shù)委員會(SAC/TC57)歸口。本文件起草單位：安徽工業(yè)大學、蘭州空間技術(shù)物理研究所、武漢材料保護研究所有限公司、山西柴油機工業(yè)有限責任公司、安徽多晶涂層科技有限公司、廣東振華科技股份有限公司、合肥億米特科技股份有限公司、湖南松井先進表面處理與功能涂層研究院有限公司、廣州今泰科技股份有限公司、廣東華升納米科技股份有限公司、臺州市銳安硬質(zhì)合金工具有限公司。1物理氣相沉積多層硬質(zhì)涂層的成分、結(jié)構(gòu)及性能評價本文件描述了常用的物理氣相沉積(PVD)法制備的多層硬質(zhì)涂層的成分、結(jié)構(gòu)和性能的評價方法。本文件適用于利用真空沉積法如蒸發(fā)、濺射或相關(guān)的非化學方法制備產(chǎn)生的涂層材料。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。ISO4545-1金屬材料努氏硬度試驗第1部分：試驗方法(Metallicmaterials—Knoophardnesstest—Part1:Testmethod)ISO6507-1金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法(Metallicmaterials—Vickershard-nesstest—Part1:Testmethod)ISO9220金屬覆蓋層厚度測量掃描電鏡法(Metalliccoatings—Measurementofcoatingthickness—Scanningelectronmicroscopemethod)ISO14577-1金屬材料硬度和材料參數(shù)的儀器化壓入試驗第1部分：試驗方法(Matallicma-terials—Instrumentedindentationtestforhardnessandmaterialsparameters—Part1:Testmethod)注：GB/T21838.1—2019金屬材料硬度和材料參數(shù)的儀器化壓入試驗第1部分：試驗方法(ISO14577-1:2015,IDT)ISO20808精細陶瓷(高級陶瓷、高級工業(yè)陶瓷)用球盤法測定塊體陶瓷的摩擦和磨損特性[Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Determinationoffrictionandwearcharacteristicsofmonolithicceramicsbyball-on-discmethod]ISO26423精細陶瓷(高級陶瓷、高級工業(yè)陶瓷)用坑狀磨削法測定涂層厚度[Fineceramics(advancedceramics,advancedtechnicalceramics)—Determinationofcoatingthicknessbycrater-grindingmethod]3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。ISO和IEC維護的標準化工作中使用的術(shù)語數(shù)據(jù)庫網(wǎng)址如下.——ISO在線瀏覽平臺：/obp;4涂層樣品成分、結(jié)構(gòu)和性能評價進行成分、結(jié)構(gòu)和性能評價的樣品宜保證在同一批次進行涂層加工。樣品在涂層加工之前宜拋光2到鏡面光潔度(R<0.05μm)并進行超聲波清洗。在超聲波清洗時，應選擇合適的清洗劑去除表面碳氫化合物和其他污染物。5成分、結(jié)構(gòu)和性能的檢測5.1化學成分檢測PVD多層硬質(zhì)涂層的化學成分取決于多種因素：包括蒸發(fā)源(靶材)成分、入射原子/離子能量密度、沉積壓強和基體偏壓。涂層沉積過程中，蒸發(fā)源(靶材)材料中各種元素可能發(fā)生偏析，從而導致涂層中成分含量不同。能用于PVD多層硬質(zhì)涂層化學成分的表征手段主要有能譜儀(EDS)、電子探針顯微分析儀(EPMA)、X射線光電子能譜儀(XPS)、俄歇電子能譜儀(AES)、二次離子質(zhì)譜法(SIMS)、X射線熒光法(XRF)和輝光放電發(fā)射光譜法(GDOES)。詳細信息如表1所示。表1PVD多層硬質(zhì)涂層化學成分表征手段表征手段表面區(qū)域橫截面區(qū)域面掃描和線掃描金屬元素B,C,N和O元素金屬元素B,C,N和O元素推薦(Li和Be除外)推薦(B和C除外)推薦(單層厚度超過100nm)推薦推薦推薦推薦推薦推薦推薦推薦推薦推薦(需進行刻蝕)推薦(需進行刻蝕)推薦(破壞性)AES推薦推薦優(yōu)先推薦優(yōu)先推薦推薦優(yōu)先推薦優(yōu)先推薦優(yōu)先推薦優(yōu)先推薦推薦(破壞性)推薦一一一一優(yōu)先推薦優(yōu)先推薦推薦(需進行刻蝕)推薦(需進行刻蝕)推薦(破壞性)5.2層狀結(jié)構(gòu)檢測利用電子顯微鏡觀察到的PVD硬質(zhì)涂層結(jié)構(gòu)包括柱狀晶、等軸晶和非晶等組織結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)不同體現(xiàn)在晶?；蚓汀⒔缑婺芎涂棙?gòu)等有所差別，進而影響涂層硬度、內(nèi)應力、韌性和附著力。因此，結(jié)構(gòu)表征是涂層評價的關(guān)鍵。PVD多層硬質(zhì)涂層分為兩類。第一類由幾種不同子層組成，依次包括黏結(jié)層、過渡層、硬質(zhì)核心所示。第二類由兩種不同材料層交替排列而成，每兩個相鄰子層構(gòu)成一個單元，其厚度為“調(diào)制周期”(A=λA+λB;λA和λg分別為A層和B層的厚度)。當A值小于100nm時，該類型涂層被稱為“納米多層涂層”或“超晶格涂層”,如圖1b)所示。采用SIMS、掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)等方法均可以檢測并確定涂層的層間結(jié)構(gòu)。如何利用TEM分析涂層結(jié)構(gòu)的詳細資料見附錄A。3a)多層結(jié)構(gòu)標引序號說明：1——黏結(jié)層；2——過渡層；3——硬質(zhì)核心層；4——調(diào)制層；b)周期性結(jié)構(gòu)圖1PVD多層硬質(zhì)涂層的典型界面結(jié)構(gòu)5.3表面缺陷檢測在PVD硬質(zhì)涂層制備過程中，經(jīng)常出現(xiàn)液滴。此外，涂層表面可能還會產(chǎn)生針孔或淺坑等缺陷。圖2為典型電弧離子鍍涂層表面所形成的液滴、針孔和淺坑。液滴主要來自于鍍膜過程中未反應的金屬顆粒，針孔為涂層生長過程中晶粒收縮所造成，淺坑則是由液滴脫落所導致。標引序號說明：1——液滴；2——針孔；3——淺坑。圖2電弧離子鍍涂層表面缺陷這些表面缺陷直接影響涂層的硬度、摩擦磨損等力學性能，進而影響涂層的服役性能。因此，有必要對涂層表面缺陷率進行計算。表面缺陷分析能用來評價涂層的表面質(zhì)量。缺陷率為由觀察到的液滴、針孔和淺坑組成的面積除以總觀測面積(單張圖片的面積)的百分比。缺陷率越低，表面質(zhì)量越好。涂層拋光之后，表面缺陷率可接受的最大值為10%。表面缺陷率的計算步驟如下。a)涂層表面宜首先進行拋光，直至其粗糙度達到一個恒定的值。當拋光后的涂層表面粗糙度相對誤差小于10%時，即可認為拋光過程完成。4b)準備至少2個樣品或小尺寸產(chǎn)品，用丙酮或酒精超聲波清洗試樣5min。c)利用SEM觀察樣品表面形貌。每個樣品采用二次電子模式拍攝5張圖片(1000倍數(shù)),所有的圖片采集都宜在相同的參數(shù)下(像素、顏色、亮度、對比度和清晰度)進行。d)宜刪除所選圖像中無用的信息，將圖片調(diào)整為灰度模式。e)使用圖像處理軟件對所選圖片進行分析，該軟件能自動計算缺陷率。f)計算10張圖片的缺陷率，取平均值。在調(diào)整圖片的灰度以及每張圖片中缺陷與背景之間的色彩和亮度對比時，宜選擇相同的參數(shù)，以避免人為誤差。附錄B給出了計算涂層表面缺陷率的一個示例。5.4厚度檢測PVD多層硬質(zhì)涂層的厚度應根據(jù)ISO26423采用球坑法進行測量。為精確測量涂層厚度，可優(yōu)先選擇電子顯微鏡(SEM或TEM),特別是對于每一個薄層的測量，優(yōu)先選擇TEM。當涂層襯底為金屬時，應選擇SEM觀察涂層厚度，試樣的制備步驟按照ISO9220的規(guī)定進行。當涂層襯底為陶瓷和金屬陶瓷時，宜選擇電子顯微鏡觀察其橫截面。5.5性能檢測涂層硬度檢測值取決于測試壓頭的形狀和計算方法。涂層硬度能通過納米壓痕檢測(見)和顯微硬度測試(見)兩種方法來測量。為避免基體對涂層硬度的影響，一般采用納米壓痕檢測法。該方法對涂層樣品的表面質(zhì)量要求較高，表面缺陷率宜小于3%,表面粗糙度(R)宜低于0.1μm。包括維氏硬度和努氏硬度在內(nèi)的顯微硬度測試在工業(yè)生產(chǎn)中應用更為廣泛且易于實施。所有試樣檢測前均宜進行拋光處理。納米壓痕檢測是通過連續(xù)記錄所施加的載荷和壓頭壓入試樣表面的深度形成載荷-深度曲線來計算硬度，測試步驟應按照ISO14577-1的規(guī)定進行。PVD硬質(zhì)涂層宜采用金剛石壓頭。對于多層硬質(zhì)涂層，宜考慮以下因素：a)壓痕中心到試樣邊緣距離宜大于壓痕直徑的3倍，相鄰兩壓痕中心距離宜不小于壓痕直徑的b)為避免壓入過程中表面缺陷的不利影響，涂層的硬度宜在壓痕深度距表面50nm～200nm內(nèi)檢測。顯微硬度計包括兩種類型：正四棱錐體金剛石壓頭的維氏硬度計和菱形錐體金剛石壓頭的努氏硬度計。涂層硬度測量值主要受涂層厚度、基體硬度、表面粗糙度和缺陷的影響。只有當壓痕深度小于涂層厚度的1/10時，才能確定涂層的顯微硬度。對于多層硬質(zhì)涂層，宜考慮以下因素：a)因相同載荷下努氏壓痕比維氏壓痕淺，努氏硬度測量適用于厚度大于2μm的涂層，而維氏硬度測量則能用于厚度大于4μm的涂層；51.96N和2.94N載荷用顯微硬度計測量涂層和基體的復合硬度值，然后作出硬度值隨載荷的變化曲線。硬度曲線主要表現(xiàn)出三種類型，如圖3所示。為避免壓痕尺寸效應的影響，加載載荷L。為測量涂層顯微硬度的合理載荷。宜在相同L。載荷下測量5次求平均值，得出多層硬質(zhì)涂層的硬度值。載荷/N載荷/N載荷/N載荷/Na)硬度與載荷呈線性關(guān)系b)載荷在0.098N～0.2375N測量的c)載荷0.2375N時測的極大值硬度值保持不變標引序號說明：X——載荷(N);Y——硬度(HK/HV);Lp——合理載荷。圖3三種類型硬度變化的硬度取值對于低硬度的薄涂層，基材效應明顯，在載荷為0.098N時測量的硬度宜被認為是涂層的硬度，如圖3a)所示。對于超高硬度的厚涂層，低載荷(0.2375N以下)無明顯的基體效應，0.2375N載荷下測得的硬度值宜定義為涂層的硬度，如圖3b)所示。當涂層表面具有較高的粗糙度和缺陷率時，低載荷0.098N測量的硬度值受表面質(zhì)量的影響較大，導致硬度測量值低于實際值。為了避免表面質(zhì)量和基體的影響，在載荷0.2375N測量的極大值宜定義為涂層的硬度，如圖3c)所示。多層硬質(zhì)涂層的摩擦磨損性能決定了其在工業(yè)應用中的服役性能。考慮到PVD硬質(zhì)涂層厚度較小，應按ISO20808的規(guī)定采用球盤摩擦磨損試驗(BOD)來表征其摩擦磨損性能，應在室溫條件下進行摩擦磨損試驗，在高溫下的測試宜根據(jù)PVD涂層的使用環(huán)境來設(shè)定。對于多層硬質(zhì)涂層，宜考慮以下因素。a)摩擦副：宜根據(jù)服役條件選擇合適的摩擦副，摩擦副宜具有足夠的硬度在涂層表面產(chǎn)生明顯的磨損痕跡。推薦磨球直徑為6mm。b)載荷：1N、5N和10N,取決于涂層的厚度和硬度：1)當涂層厚度小于2μm或涂層硬度小于1800HK時，選擇1N的載荷；2)當涂層厚度在2μm～5μm之間或涂層硬度在1800HK～2800HK之間時，選擇5N的載荷；3)當涂層厚度超過5μm或涂層硬度大于2800HK時，選擇10N的載荷。c)滑動速度：0.1m/s,磨痕直徑宜大于3mm。d)滑動距離：約180m～720m。6(資料性)透射電子顯微鏡樣品制備和操作A.1概述目前有兩種TEM樣品制備方法來觀察PVD涂層的微觀結(jié)構(gòu)，如下；a)機械減薄+離子研磨(見A.2);b)聚焦離子束(見A.3)。圖A.1所示為試樣制備方法以及多層硬質(zhì)涂層的典型結(jié)構(gòu)。a)機械減薄+離子研磨b)聚焦離子束切割c)PVD超晶格涂層截面TEM圖片d)圖c)的高分辨TEM標引序號說明：1——試樣；2——切片；3——墊片；4——柵格；5——膠；6——反轉(zhuǎn)；7——樣品。圖A.1試樣制備方法和多層硬質(zhì)涂層的典型結(jié)構(gòu)A.2機械減薄+離子研磨a)從涂層試樣上切下帶有涂層和基材的薄切片。b)樣品制備后，將兩片或兩片以上的切片粘在一起，形成兩個或多個界面。將粘好的切片嵌入填充有膠水的管中，然后切成圓盤形薄片。隨后，對圓盤形薄片進行平面拋光并研磨至約7c)將研磨后的樣品粘在開槽網(wǎng)格上以提供機械支撐，并進一步進行研磨或者拋光，直至其中間區(qū)域厚度約15μm～30μm。d)對拋光后的樣品進行進一步離子研磨，以獲得可供TEM觀察的減薄區(qū)域。A.3聚焦離子束第二種方法如圖A.1b)所示，步驟如下：a)當樣品放入腔室時，在樣品表面選擇一個小的矩形區(qū)域，然后利用離子束切割此